TEMAS:Tecnología de bateríasNanotecnología de iones de litioUCSD
Por UNIVERSIDAD DE CALIFORNIA – SAN DIEGO 4 DE JULIO DE 2022
Tecnología de batería fría y caliente
Los ingenieros han desarrollado nuevas baterías de iones de litio llenas de energía que funcionan bien en temperaturas muy frías y calientes.
Ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UCSD) han desarrollado nuevas baterías de iones de litio que funcionan bien a temperaturas muy frías y abrasadoras, al mismo tiempo que acumulan mucha energía. Según los investigadores, esta hazaña se logró mediante el desarrollo de un electrolito que no solo es versátil y robusto en un amplio rango de temperatura, sino que también es compatible con un ánodo y un cátodo de alta energía.
Las baterías resistentes a la temperatura se describen en un artículo publicado la semana del 4 de julio en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Las baterías basadas en esta tecnología podrían permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos viajen más lejos con una sola carga. También podrían reducir la necesidad de sistemas de enfriamiento para evitar que las baterías de los vehículos se sobrecalienten en climas cálidos, dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UCSD Jacobs y autor principal del estudio.
“Se necesita un funcionamiento a alta temperatura en áreas donde la temperatura ambiente puede alcanzar los tres dígitos y las carreteras se calientan aún más. En los vehículos eléctricos, los paquetes de baterías generalmente están debajo del piso, cerca de estas carreteras calientes”, explicó Chen, quien también es miembro de la facultad del Centro de Energía y Energía Sostenible de UCSD. “Además, las baterías se calientan solo con el paso de la corriente durante el funcionamiento. Si las baterías no pueden tolerar este calentamiento a alta temperatura, su rendimiento se degradará rápidamente”.
Guorui Cai
El primer autor del estudio, Guorui Cai, investigador postdoctoral en nanoingeniería en UC San Diego, prepara una celda de bolsa de batería para realizar pruebas a temperaturas bajo cero. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego
En las pruebas, las baterías de prueba de concepto retuvieron el 87,5 % y el 115,9 % de su capacidad energética a -40 y 50 °C (-40 y 122 °F), respectivamente. También tenían altas eficiencias de Coulombic del 98,2 % y 98,7 % a estas temperaturas, respectivamente, lo que significa que las baterías pueden sufrir más ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar.
Las baterías que Chen y sus colegas desarrollaron son tolerantes al frío y al calor gracias a su electrolito único. Está hecho de una solución líquida de éter dibutílico mezclado con una sal de litio. Una característica especial del éter dibutílico es que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio. En otras palabras, las moléculas de electrolito pueden soltar fácilmente los iones de litio a medida que la batería funciona. Esta interacción molecular débil, que los investigadores habían descubierto en un estudio anterior, mejora el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Además, el éter dibutílico puede soportar fácilmente el calor porque se mantiene líquido a altas temperaturas (tiene un punto de ebullición de 141 °C o 286 °F).
Químicas estabilizadoras de litio-azufre
Lo que también tiene de especial este electrolito es que es compatible con una batería de litio-azufre, que es un tipo de batería recargable que tiene un ánodo de metal de litio y un cátodo de azufre. Las baterías de litio-azufre son una parte esencial de las tecnologías de baterías de próxima generación porque prometen mayores densidades de energía y menores costos. Pueden almacenar hasta dos veces más energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales; esto podría duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías. Además, el azufre es más abundante y menos problemático para la fuente que el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías de iones de litio tradicionales.
Pero hay problemas con las baterías de litio-azufre. Tanto el cátodo como el ánodo son súper reactivos. Los cátodos de azufre son tan reactivos que se disuelven durante el funcionamiento con batería. Este problema empeora a altas temperaturas. Y los ánodos de metal de litio son propensos a formar estructuras similares a agujas llamadas dendritas que pueden perforar partes de la batería y provocar un cortocircuito. Como resultado, las baterías de litio-azufre solo duran decenas de ciclos.
Zheng Chen
“Si desea una batería con alta densidad de energía, generalmente necesita usar una química muy dura y complicada”, dijo Chen. “Alta energía significa que están ocurriendo más reacciones, lo que significa menos estabilidad, más degradación. Hacer una batería de alta energía que sea estable es una tarea difícil en sí misma; tratar de hacer esto a través de un amplio rango de temperatura es aún más desafiante”.
El electrolito de dibutil éter desarrollado por el equipo de investigación de UCSD previene estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas. Las baterías que probaron tenían ciclos de vida mucho más largos que una batería típica de litio-azufre. “Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el del ánodo al mismo tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad interfacial”, dijo Chen.
El equipo también diseñó el cátodo de azufre para que fuera más estable injertándolo en un polímero. Esto evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
Los siguientes pasos incluyen aumentar la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas aún más altas y extender aún más el ciclo de vida.
Referencia: «Criterios de selección de solventes para baterías de litio-azufre resistentes a la temperatura». Los coautores incluyen a Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal y Ping Liu, todos en UC San Diego. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
Este trabajo fue apoyado por una subvención de la facultad de carrera temprana del Programa de subvenciones de investigación de tecnología espacial de la NASA (ECF 80NSSC18K1512), la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de ciencia e ingeniería de investigación de materiales de UC San Diego (MRSEC, subvención DMR-2011924), y la Oficina de Vehicle Technologies del Departamento de Energía de EE. UU. a través del Programa de Investigación de Materiales para Baterías Avanzadas (Battery500 Consortium, contrato DE-EE0007764).
Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) en UC San Diego, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (subvención ECCS-1542148).